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Soluciones en fundición dúctil para las redes de abastecimiento y saneamiento urbano
TEMA DEL MES Canalizaciones: tipologías y principales condicionantes
SOLUCIONES EN FUNDICIÓN DÚCTIL PARA LAS REDES DE ABASTECIMIENTO Y SANEAMIENTO URBANO
Las redes de abastecimiento y saneamiento en el ámbito urbano suponen la mayor parte de canalizaciones de distribución presentes en cualquier región, siendo además las redes cuyos procesos de planificación, ejecución y explotación impactan de forma más directa sobre los consumidores finales. Este hecho hace que los problemas en cada una de estas etapas -planificación, construcción y gestión- se traduzcan en elevados niveles de riesgo de fallo. La fundición dúctil es y ha sido históricamente una de las soluciones más utilizadas en las redes de abastecimiento urbano y, a lo largo de este texto, veremos la capacidad de adaptación de sus distintas
soluciones a los principales condicionantes. / TEXTO: DEPARTAMENTO TÉCNICO DE SAINT-GOBAIN PAM ESPAÑA
L
as nuevas directivas en materia de diseño, ejecución y diseño de este tipo de redes están centradas en minimizar el riesgo de fallo, entendiéndose a éste como una combinación del impacto que supone un hipotético fallo y la probabilidad que tiene este de ocurrir. Dado que el impacto de fallo en este tipo de redes será siempre muy elevado, por causas derivadas de su propia naturaleza, los esfuerzos en cuanto a control y minimización del riesgo de fallo deben dirigirse a minimizar su probabilidad de ocurrencia. Para ello es indispensable plantear y conocer los condicionantes esenciales de este tipo de redes y ajustar los patrones de diseño, ejecución y explotación a los mismos.
En este aspecto los fabricantes de los distintos elementos de la red realizan grandes esfuerzos de innovación y mejora siempre dirigidos a aumentar la vida útil de sus elementos y a disminuir, por consiguiente, la probabilidad de fallo vinculada directamente al producto instalado. La fundición dúctil es y ha sido históricamente una de las soluciones más utilizadas en las redes de abastecimiento urbano. A lo largo de este texto veremos la capacidad de adaptación de sus distintas soluciones a los principales condicionantes y cómo las sucesivas innovaciones realizadas sobre estas han estado, y están, orientadas a seguir adaptándose y, por tanto, mejorar los niveles de calidad y seguridad del suministro, o lo que es lo mismo, a reducir las probabilidades de fallo y con ello el riesgo de las redes urbanas.
Condicionantes mecánicos
Por su definición y finalidad, las redes de abastecimiento y saneamiento urbano están destinadas a convivir con entornos urbanos consolidados. Este hecho impone que la mayoría de redes se configure como redes enterradas y que además exista, en su inmensa mayoría, una presencia de cargas rodantes. Ante este hecho, las canalizaciones hacen frente mediante la capacidad mecánica del conjunto zanja-tubo, que debe absorber los esfuerzos impuestos por dichos agentes sin afectar, en demasía, a posibles deformaciones de la tubería que podrían suponer posibles causas de fuga. Los distintos materiales con los que se fabrican las tuberías de abastecimiento y saneamiento influyen directamente sobre el comportamiento mecánico de las tuberías y del conjunto de la canalización. En este sentido, podemos destacar los elevados valores alcanzados por las tuberías metálicas, entre las que incluimos a las tuberías de fundición dúctil, cuya matriz ferrítica y su proceso de nodularización del carbono, les dota de grandes capacidades mecánicas como muestran sus módulos de elasticidad y resistencia a la tracción en comparación con otros materiales también usuales en este tipo de canalizaciones. Es destacable además el hecho de que las tuberías metálicas, y por tanto las tuberías de fundición dúctil, mantienen constantes sus magnitudes a lo largo de la vida útil, no existiendo un envejecimiento, que deriva en una reducción de estos valores, sí presente en los materiales plásticos. Este hecho hace que el dimensionamiento de las tuberías metálicas, desde el punto de vista mecánico, sea realizado en base a un único y permanente valor, mientras que en las tuberías plásticas podemos encontrar distintos valores para el módulo de elasticidad, a corto o largo plazo. Este último, el referente al largo plazo, es el que debe seleccionarse para los dimensionamientos, puesto que es el valor que refleja las prestaciones de la tubería durante toda la vida útil. Las elevadas prestaciones mecánicas de la fundición dúctil redundan en un diseño que permite una optimización de espesores sin comprometer sus garantías de comportamiento frente a grandes cargas externas. En este aspecto podemos definir el comportamiento del conjunto zanja-tubo como: flexible, semi-rígido, rígido; en función de la relación tensión-deformación que se produzca sobre los mismos. Las instalaciones flexibles requerirán de un cálculo, y una especial atención, orientada a la estimación de deformaciones de las mismas y a garantizar que tales deformaciones no superen unos máximos establecidos para evitar una posible aparición de estrechamientos (aumento de pérdidas de carga) fugas e incluso el colapso. En el caso de los comportamientos rígidos, su cálculo se orientará a garantizar que las tensiones aplicadas no superan la capacidad de resistencia a la misma siendo las deformaciones prácticamente despreciables, antes de alcanzarse el colapso de la tubería.
Por tanto, las tuberías flexibles requerirán de elevados controles de relleno y compactación de la zanja, garantizándose así su participación mecánica en el
Módulo elasticidad
Resistencia a tracción FUNDICIÓN DÚCTIL
170.000 Mpa
420 Mpa PVC-O PVC-U PE-100
4.000 Mpa 3.000 Mpa 1.100 MPa
48 Mpa 48 Mpa 19 MPa
DN (mm)
60 – 250
300 – 900
1000- 2000
conjunto y minimizando el trabajo que la tubería puede aportar al mismo. Por su parte, las tuberías rígidas requerirán de menos cuidados en relleno y compactado, pudiendo hacer frente directamente a la zanja sin comprometer la capacidad hidráulica de la tubería, por ser despreciables las deformaciones. Las tuberías de fundición dúctil presentan uno u otro comportamiento en función de la disposición de diámetros o espesores, pudiendo de forma genérica hacerse la siguiente clasificación:
Como puede observarse, en el rango de diámetros más habituales en las canalizaciones urbanas (DN<600), las canalizaciones de fundición dúctil presentan comportamientos rígidos o semi-rígidos, por lo que se puede deducir que existe una capacidad mecánica en la tubería que contribuye a la estabilidad del conjunto zanja-tubo, sin deformaciones de la tubería, tal y como se ha explicado. Y que tal capacidad posibilita la realización de zanjas menos cuidadas. Si bien es cierto que el dimensionamiento y diseño de zanjas urbanas responden más a necesidades de estabilidad de las capas de rodadura frente a las cargas a las que se expone que de la estabilidad del propio tubo, y que por ende es común utilizar la misma tipología de zanja independientemente del tubo que se vaya a instalar, estas características posibilitan que estas tuberías se puedan instalar en condiciones límites, escasas o muy elevadas alturas de cobertura, que sí pueden resultar muy interesantes en las canalizaciones que nos ocupan. Así quedan recogidas en la norma UNE-EN 545 “Tubos, racores y accesorios de fundición dúctil y sus uniones para canalizaciones de agua”. Que en su Anexo Informativo D, plasma las alturas de cobertura admisibles en todos los tipos de niveles de tráfico y suelo. A grandes rasgos, podríamos identificar a las zonas urbanas, que nos ocupan, como zonas con niveles de tráfico β=1,50 y niveles de módulo de reacción del suelo E’ no inferior a 2000 kN/m2 .
Trazado urbano: condicionantes
El diseño de redes urbanas, tanto de saneamiento como de abastecimiento, queda sujeto a la propia traza urbana y por tanto debe adaptarse en la mayoría de casos a trazados muy definidos y poco flexibles y a la coexistencia con otras instalaciones. � Escasa flexibilidad del trazado. Las instalaciones urbanas realizadas mediante zanja deben ceñirse a los trazados ya definidos por viales y demás servicios de disponibilidad pública. Este hecho determina la necesidad de soluciones que, adaptándose a esta exigencia, deben disponer de capacidad de reducidos radios de curvatura o que posibiliten continuos cambios de trazado, tanto en alzado como en planta. Ante esta exigencia, las tuberías de fundición dúctil presentan una instalación mediante enchufado con las mayores desviaciones angulares admisibles, en comparación con el resto de soluciones con unión mediante enchufe. Esta elevada desviación garantiza la capacidad de absorber curvaturas importantes sin necesidad de requerir la instalación de accesorios, lo que supone una enorme facilidad en la instalación y una ahorro que tiene reflejo en las labores de planificación, menor necesidad de atención al trazado, ejecución, menor número de uniones y accesorios a instalar, y explotación, menor número de juntas y uniones.
� Escasa disponibilidad de suelo. La ocupación de suelo tiene un alto impacto sobre la población afectada, siendo de alta importancia su gestión y planificación, quedando a incluso a llegar a ser objeto de descarte determinadas soluciones constructivas. En este aspecto las tuberías de fundición tienen un carácter modular, con tuberías de longitudes de 6 metros hasta DN600, que facilitan su instalación y acopio en zonas de escasez de suelo disponible o que minimi-
COMPORTAMIENTO TUBERÍAS FUNDICIÓN DÚCTIL
Rígido
Semi - rígido
Flexible
zan el impacto de estructuras auxiliares, como por ejemplo pozos de ataque para instalaciones sin zanja. Por otra parte, la instalación mediante sistemas de enchufado característico de la fundición, como ya se ha comentado en el punto anterior, requiere de la instalación de elementos de anclaje en aquellos casos en los que la instalación de accesorio (codo, te, cono, etc) sea necesaria. Y es que la alteración del flujo que se produce en estas piezas se traduce, por la conservación de movimiento, en un empuje que tiende al desenchufado de las mismas, haciéndose indispensable el anclaje de estas. El sistema tradicional, disponible en todas las tuberías instaladas mediante enchufe incluida la fundición, se basa en la ejecución de anclajes de los accesorios mediante de macizos de hormigón. Dicha solución, si bien es ampliamente conocida y experimentada por proyectistas e instaladores, aumenta la necesidad de suelo de las canalizaciones, precisamente en zonas (codos o derivaciones) en las que esta suele ser aún más escasa. Las canalizaciones de fundición dúctil permiten eliminar este tipo de macizos de anclaje mediante la instalación de uniones acerrojadas. Uniones que, manteniendo unas elevadas presiones de funcionamiento admisibles y altas desviaciones angulares, están diseñadas para soportar tracciones en las uniones sin que se produzca desenchufado. De esta manera, mediante el acerrojado de uniones, puede hacerse frente a los empujes originados en los accesorios y disiparlo mediante rozamiento tubería-terreno sin que exista posibilidad de desenchufado y fuga. Esta misma solución técnica, tubería acerrojada, permite además a la tubería de fundición ser utilizada en todas las tipologías de instalaciones sin zanja, instalación en camisa, instalación por sustitución e instalación mediante perforación dirigida, incorporando a estas novedosas técnicas las ventajas mecánicas e hidráulicas de esta tipología de canalizaciones. � Presencia de otras instalaciones. Los trazados de las canalizaciones urbanas tienen que convivir con otro tipo de canalizaciones, tanto durante su etapa de proyecto como durante su etapa de construcción y explotación. Existen multitud de recomendaciones respecto a la disposición ideal de las diferentes instalaciones que buscan la minimización de influencia de unas instalaciones en otras y garantizar la facilidad de gestión de cada una de ellas. Este tipo de previsiones da idea de cómo la condición urbana de una canalización enterrada supone un aumento de las probabilidades de afección de la misma durante labores de relacionadas con otras instalaciones colindantes. En este aspecto, las elevadas prestaciones mecánicas, ya mencionadas, suponen un aumento de los márgenes de seguridad presentes en las canalizaciones de fundición dúctil, dificultando la probabilidad de fallo ante afecciones producidas por labores relacionadas con servicios colindantes. Este hecho, la presencia de multitud de servicios a veces en la misma zanja, requiere también de una posibilidad de adaptación a trazados accidentados, en ocasiones no previstos en proyecto. En este aspecto, la completa gama de accesorios y las elevadas desviaciones angulares admisibles permiten la adaptación al trazado, incluso en condiciones muy exigentes.
Naturaleza de los suelos: condicionantes
Si bien no se puede realizar una generalización de la tipología de suelos presente en cada espacio urbano, sí podemos concluir, al menos en los casos de zonas muy consolidadas, que la afección continua de la actividad humana sobre estos casos puede derivar en una presencia de suelos no muy agresivos. No obstante, la imposibilidad de realizar tal generalización hace necesario en el caso de las tuberías metálicas disponer de sistemas de control de la corrosión que permitan asegurar la no afección de estos agentes agresivos. Las tuberías de fundición dúctil disponen de una completa gama de revestimientos que hacen que las mismas se adapten a cada terreno garantizando la no afección de los mismos y, por tanto, la totalidad de sus prestaciones durante su elevada vida útil. � Revestimientos externos tradicionales. Si bien la fundición dúctil es, por su naturaleza, una aleación metálica con elevadas resistencias a la corrosión, esta resistencia, no obstante, no elimina la degradación y oxidación de la tubería en ambientes agresivos y altamente corrosivos. Es por ello que desde principios de la segunda mitad del siglo pasado se ha desarrollado una serie de revestimientos en pos de disminuir y eliminar la corrosión sobre la fundición dúctil y posibilitar su instalación en un mayor número de escenarios. El revestimiento tradicional de las tuberías de fundición dúctil está basado en la aplicación de una capa de Zinc (con dotación 200gr/m2) sobre la superficie externa del tubo que en contacto con el terreno genera una película de sales que elimina la corrosión sobre la fundición garantizando así que esta mantiene sus prestaciones mecánicas durante toda su vida útil. � Revestimientos externos reforzados. Desde el año 2000 se ha consolidado un revestimiento reforzado como alternativa a los revestimientos tradicionales de Zinc, buscando con ello una mejora de las prestacio-
nes frente a la corrosión que permita la instalación de la tubería de fundición dúctil en escenarios más agresivos. Esta nueva solución basa su mayor efectividad en una mejora del revestimiento tradicional incorporando otro metal, el Aluminio, y generando así un revestimiento a base de una aleación Zinc-Aluminio (dotación 400gr/m2). Este revestimiento, denominado reforzado, se ha consolidado como una alternativa segura a la tradicional manga de polietileno que se instalaba, anteriormente, en aquellos casos en que el revestimiento tradicional de Zinc no era suficiente y ha aumentado notablemente la tipología de suelos en los que es recomendable instalar tuberías de fundición dúctil. En busca de un avance de esta solución, Saint Gobain PAM desarrolló una mejora que incorpora, a la aleación Zinc-Aluminio, un tercer componente, el cobre, para hacer frente a los casos particulares de biocorrosión. La innovación en el campo de los revestimientos ha tenido, en el caso de la fundición dúctil, una mejora también desde el punto de vista medioambiental plasmado en el desarrollo de nuevas capas de acabado.
Las tuberías de revestimiento reforzado BioZinalium de Saint-Gobain PAM incorporan una capa de acabado basada en una pintura monocomponente en fase acuosa, respetuosa con el medio ambiente y libre de componentes volátiles y de bisophenol A, al contrario que ocurre con las capas de acabado tradicionales, conformadas por pinturas bituminosas y epóxicas. Este revestimiento reforzado es la apuesta realizada por Saint-Gobain PAM y se ha convertido en el revestimiento base de su gama, eliminando de ella los revestimientos tradicionales y apostando por dotar a todas las tuberías de la mayor calidad de revestimiento metálico existente. � Revestimientos especiales. Los revestimientos especiales son aquellos que permiten la instalación de tubería de fundición dúctil ante cualquier tipo de terreno. Tal prestación es posible gracias a la aplicación de un revestimiento pasivo que aísla al tubo de su entorno. Pueden distinguirse tres tipos: • Revestimientos TT-PE, con una capa de polietileno exterior • Revestimientos TT-PUX, con una capa de poliuretano exterior • Revestimiento ZMU, con una capa de mortero de cemento exterior.
Tipologías de efluentes: condicionantes
En líneas generales se puede distinguir entre tres tipos de efluentes presentes en las redes de agua urbana, en función del tipo de redes: aguas de abastecimiento, aguas de saneamiento y aguas reutilizadas. Si bien es cierto que en algunos casos, redes de gran tamaño, es posible encontrar redes de transporte de agua previas a tratamiento, los condicionantes que estas generan las hacen poder ser englobadas dentro de las redes de aguas de abastecimiento y poder ser atendida con canalizaciones de idénticas características a estas. Como cabe esperar, las características de cada uno de los efluentes anteriormente dispuestos requieren de sistemas de canalización con diferentes prestaciones, en cada caso adaptadas a la naturaleza de tales aguas. Las canalizaciones de fundición dúctil presentan una completa gama que se adapta, de forma eficiente, a las exigencias de cada uno de estos casos. Tal adaptación se realiza de acuerdo a los textos normativos correspondientes, que recogen y estandarizan las exigencias que tales productos deben atender. Hablamos de la norma UNE-EN 545:2011para canalizaciones de fundición dúctil para aguas de abastecimiento y la UNE-EN 598:2008 para las canalizaciones de fundición dúctil en sistemas de saneamiento. En el caso de las redes de agua reutilizada, no existe una normativa específica, siendo la norma de referencia habitual la UNE-EN 545. Saint Gobain PAM ha desarrollado una completa gama para cada una de las redes que acabamos de mencionar. Las cuales, además de adaptar sus revestimientos interiores a cada uno de los efluentes, cuentan con un diferenciación mediante colores para facilitar su identificación durante las labores de ejecución y explotación de la red.
